基于STM32的多調(diào)制方式信號源的設(shè)計(jì)

作者 韓曉冰 邢磊 西安科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院(陜西 西安 710054)

　　韓曉冰(1965-)，男，陜西西安人，教授，研究方向，無線通信。

　　邢磊，男，河北承德人，碩士研究生，研究方向，嵌入式、無線通信。

摘要：基于STM32F407ZGT6設(shè)計(jì)了一款多種調(diào)制方式、寬頻帶的信號源，覆蓋頻率范圍為50 MHz-4 GHz，并且?guī)в?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/功率放大">功率放大器，可以將信號放大輸出，輸出電平范圍可達(dá)0 dBm-30 dBm。本設(shè)計(jì)主要可以分成兩大部分，主控板與前操控版，前操控版帶有按鍵，通過UART將輸入的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控板，主控板將會根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)協(xié)議解析數(shù)據(jù)，并控制信號發(fā)生器工作，信號通過功放放大，最后通過天線發(fā)射出去。

0 引言

　　現(xiàn)在市場上主要的信號源主要是面向?qū)嶒?yàn)室測試使用，用于野外部隊(duì)進(jìn)行無線電監(jiān)測測向訓(xùn)練的非常少。而且很多信號源沒有功放，不能發(fā)射大功率信號，這就嚴(yán)重限制了信號覆蓋范圍，無法模擬真實(shí)的電磁環(huán)境。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主要由前操控板，主控板組成。前操控板主要是進(jìn)行按鍵輸入數(shù)據(jù)和顯示輸入信息、系統(tǒng)調(diào)試信息等，并將數(shù)據(jù)通過UART傳送給主控板。主控板根據(jù)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)解析，根據(jù)解析出的數(shù)據(jù)控制射頻模塊產(chǎn)生相應(yīng)信號，并通過功放將信號放大，最后將信號通過天線發(fā)射出去，信號源發(fā)射信號使用兩種天線，50 MHz-1 GHz用的是拉桿天線，發(fā)射1 GHz到4 GHz使用的是雙錐天線。GPS/BD定位系統(tǒng)和RFID在前操控板，當(dāng)GPS/BD收到信息后并將數(shù)據(jù)傳送給前操控版，前操控版將信息顯示出來。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主要由前操作板、主控板、電源模塊三部分組成。每部分上都有其對應(yīng)的不同的功能，這幾個(gè)部分構(gòu)成了一個(gè)完整的電磁環(huán)境構(gòu)建系統(tǒng)。這幾部分之間最主要的就是數(shù)據(jù)傳遞。

　　2.1 前操作板

　　前操控版選用的型號是STM32F103ZET6，使用的是ARM Cortex-M3內(nèi)核，512 kB Flash，64KB RAM，LQFP 144腳封裝。完全符合作為前操控版的處理芯片。前操作板主要是由按鍵、GPS/BD模塊、RFID、OLED 顯示屏組成。前面操作板的主要作用就是按鍵輸入和顯示。通過按鍵輸入頻率、幅度等參數(shù)，通過OLED 屏幕顯示，并通過UART傳送給主控板。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.2 主控板

　　主控板是信號源的重要部分，選用的芯片是STM32F407ZGT6，帶有FPU 的ARM32 位 Cortex-M4處理器，1 MB的FLASH，192+4KB的SRAM，主頻為168 MHz。主控板主要由射頻模塊、功率放大器、電壓轉(zhuǎn)換模塊組成。當(dāng)主控板接收到前操控版發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議解析，在根據(jù)數(shù)據(jù)控制射頻模塊產(chǎn)生相應(yīng)的信號，然后通過功放將信號放大，最后在通過天線發(fā)射出去。如圖3所示。

　　射頻模塊使用的是ADI公司生產(chǎn)的ADF4351，本電路為寬帶直接變頻發(fā)射機(jī)模擬部分的完整實(shí)現(xiàn)方案(模擬基帶輸入、RF輸出)。通過使用鎖相環(huán)(PLL)和寬帶集成電壓控制振蕩器(VCO)，本電路支持500 MHz至4.4 GHz范圍內(nèi)的RF頻率。對來自PLL本振(LO)進(jìn)行諧波濾波，確保提供出色的正交精度、邊帶抑制和低EVM。

　　此芯片的性能基本完全符合本設(shè)計(jì)需求。故選用此芯片。

　　功率放大器選用的是ADI的HMC637BPM5E，此放大器工作頻率范圍為直流至6 GHz。提供15 dB的小信號增益，1 dB增益壓縮下的27.5 dBm輸出功率，40 dBm的典型輸出IP3和4 dB噪聲系數(shù)，同時(shí)需要來自12 V電源的335 mA 在VDD上。也是比較符合比設(shè)計(jì)的需求。故采用此芯片。

　　2.3 電源模塊

　　電源模塊以CN3763為芯片，進(jìn)行電源的充電管理和供電使用。CN3763具有三種充電模式，即涓流、恒流和恒壓充電模式，是專門為鋰電池充電進(jìn)行充電管理的電源芯片。

　　在恒壓充電模式下，芯片可以控制電池電壓為12.6 V，也可以通過一個(gè)外部電阻向上調(diào)整;在恒流充電模式，充電電流通過一個(gè)外部電阻設(shè)置。對于深度放電的鋰電池，當(dāng)電池電壓低于恒壓充電電壓的66.5%(典型值)時(shí)，CN3763用所設(shè)置的恒流充電電流的17.5%對電池進(jìn)行涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流降低到恒流充電電流的16%時(shí)，充電結(jié)束。此芯片的功能基本完全符合本設(shè)計(jì)使用，故采用此芯片作為充電電源芯片。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中嵌入式程序設(shè)計(jì)主要是指前操控版的的顯示程序，按鍵數(shù)據(jù)輸入程序，系統(tǒng)調(diào)試信息顯示程序以及給根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議給主控板發(fā)送數(shù)據(jù)的程序。主控板的程序比較復(fù)雜，首先是與前面板的協(xié)議，協(xié)議主要是與前操作板的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，就是把前操控版發(fā)送的數(shù)據(jù)解析成指令用來控制信號發(fā)生器和功放，發(fā)出按鍵輸入的信號。

　　3.1 前操作板嵌入式程序開發(fā)

　　前操作板主要是與主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及顯示系統(tǒng)調(diào)試信息等。系統(tǒng)初始化后，根據(jù)主控板通過UART發(fā)送給前操控板的數(shù)據(jù)會顯示相應(yīng)的信息，如系統(tǒng)固件版本號，PCB版本號，設(shè)備別名，IP等信息。

　　定位是通過GPS/BD定位系統(tǒng)，系統(tǒng)初始化后，GPS/BD天線開始接收數(shù)據(jù)，并通過UART2將數(shù)據(jù)發(fā)送到前操控版，將接收到的數(shù)據(jù)按照協(xié)議解析后，通過OLED 屏幕顯示出來。

　　RFID模塊與GPS類似，系統(tǒng)初始化后，RFID就會正常工作，這時(shí)就可以進(jìn)行打卡操作，將標(biāo)簽卡放到前操控版處就可以實(shí)現(xiàn)打卡功能，并且可以查看打卡記錄的數(shù)據(jù)。

　　前操控板主要是進(jìn)行按鍵輸入，顯示以及和主控板之間的數(shù)據(jù)傳輸。首先是按鍵輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)初始化后，OLED 屏幕顯示出信號參數(shù)設(shè)置頻率、幅度、調(diào)試方式、射頻開啟狀態(tài)。用戶通過按鍵輸入這些參數(shù)后，MCU會把數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送給主控板，主控板根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，將數(shù)據(jù)解析后，將會控制產(chǎn)生相應(yīng)的頻率、幅度、調(diào)制方式的信號。

　　3.2 主控板嵌入式程序開發(fā)

　　主控板的嵌入式程序主要就是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，將通過UART傳過來的數(shù)據(jù)解析，并根據(jù)解析出來的數(shù)據(jù)控制信號發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)信號，通過功放將信號放大，最后根據(jù)頻段將通過天線發(fā)射出去。在嵌入式程序中，數(shù)據(jù)協(xié)議是最關(guān)鍵的部分，只有通信雙方定好協(xié)議，數(shù)據(jù)才可以傳輸，傳輸完成后才可以按照協(xié)議解析數(shù)據(jù)。因此，編寫數(shù)據(jù)協(xié)議也是本設(shè)計(jì)的的難點(diǎn)。

　　傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是定義好的結(jié)構(gòu)體，每一次數(shù)據(jù)傳輸都是將數(shù)據(jù)按照定義好的結(jié)構(gòu)體的的結(jié)構(gòu)傳輸?shù)?，所以，在解析協(xié)議時(shí)，也要按照定義好的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型來解析數(shù)據(jù)，并且根據(jù)結(jié)構(gòu)體的成員變量的數(shù)據(jù)來控制相應(yīng)信號的產(chǎn)生。

4 主測試結(jié)果分析

　　整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本完成后，進(jìn)行整體測試，整機(jī)系統(tǒng)如圖5所示。

　　通過按鍵輸入頻率、幅度、調(diào)制方式等數(shù)據(jù)。例如，輸入信號參數(shù)，頻率110 MHz，幅度0 dBm，調(diào)制方式為CW，如圖6所示。

　　通過饋線將信號源輸出端與頻譜儀輸入端連接，為了保護(hù)頻譜儀，在輸入端加了一個(gè)10 dBm的衰減器。觀察其波形，如圖7所示。

　　本次測試使用的頻譜儀是Keysight N9918A。根據(jù)上圖分析可知頻譜儀接收到的信號是110 MHz，電平是-12 dBm，由于本次使用的饋線3 M長，所以損耗可以到達(dá)2 dBm，根據(jù)上圖可知，本信號源可以正常發(fā)射信號，且信號可以被頻譜儀正常接收。

5 結(jié)束語

　　本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通過按鍵輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)UART傳送到主控板，主控板根據(jù)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)解析，并控制信號發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)頻率信號，經(jīng)過功率放大器放大后，通過天線發(fā)射出來，經(jīng)驗(yàn)證，此信號源可以正常產(chǎn)生信號。

　　通過測試結(jié)果可知，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確發(fā)射出輸入的按鍵信號，在允許范圍內(nèi)精確度可能會有誤差。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]周晗. 多制式射頻信號源關(guān)鍵技術(shù)研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.

　　[2]劉磊. 基于DDS的信號源設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué),2013.

　　[3]譚營,許化龍,曲從善. 高精度智能信號源設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制,2007,(12):1852-1854.

　　[4]包靜,鄒鵬,趙海偉. 基于ARM的多功能信號源—顯示及接口模塊設(shè)計(jì)[J]. 硅谷,2013,6(10):20+25.

　　[5]張騰. 高精度正弦波信號源設(shè)計(jì)[D].西安工業(yè)大學(xué),2014.

　　[6]許國宏,宋征,王耀磊. 多通道2ASK/2FSK信號源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電腦知識與技術(shù),2016,12(07):257-259.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第43頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。